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1、 毕毕业业设设计计说说明明书书基于基于 FPGA 的的 HDB3 编编 解码器设计解码器设计专业专业电气工程及其自动化学生姓名学生姓名班级班级 学号学号指导教师指导教师完成日期完成日期 盐城工学院本科生毕业设计基于基于 FPGA 的的 HDB3 编解码器设计编解码器设计摘 要：在数字通信系统中，数字基带信号由信源发出，但是夹杂着低频分量和直流分量，在传输信号时会容易产生码间的干扰从而严重影响了传输的可靠性，因而要对其进行编码再进行传输。FPGA（现场可编程门阵列）作为 21 世纪兴起的一种可编程器件，要比传统的可编程器件的集成度要高，且编码电路直接集成在了FPGA 芯片上。利用 HDB3 码（
2、三阶高密度双极性码）在传输过程中可打破长连“0”、不含直流、码谱位于高频段和提取同步信号方便这一特点，本文提出了基于 FPGA 的 HDB3 编解码器设计，基于顶层设计原理，首先介绍了 FPGA 的开发基础和 HDB3 编解码的原理，其次设计 HDB3 编解码模块，再者通过集成了 FPGA 设计环境的 Quartus软件中完成编解码器的编译与仿真等过程，分别对编码模块和解码模块进行仿真，最后进行了编解码模块的合成仿真，得到了与预期相符合的波形。最终结果表明，本次设计的基于 FPGA 的 HDB3 编解码器具有编解码简单、程序灵活、工作可靠性高的特点，相比其他的可编程器件而言，基于 FPGA 的
3、 HDB3编解码器的集成度更高，体积更小。关键词：FPGA；HDB3 码；VHDL 语言；编解码器盐城工学院本科生毕业设计The Design of HDB3 Encoder and Decoder Based on FPGAAbstract：In digital communication system,digital baseband signal is issued by the signal source with low frequency component and the dc component. This is easy to produce the interference
4、 in the process of transmission signal which can seriously affect the reliability of transmission.Therefore,it is necessary to encode before the transmission. As the rise of a programmable device of the 21st century, FPGA(field programmable gate array) have a higher level of integration than traditi
5、onal programmable device, and encoding circuit is directly integrated in the FPGA chip. In the process of transmission, HDB3 code (third-order high density bipolar codes) have the characteristics of break long “0“, not including dc, code spectrum at high frequencies, and easy to extract the sync sig
6、nal. Use of these advantages, this paper puts forward the HDB3 encoder and decoder design based on FPGA. Based on the principle of top design, this paper firstly introduces the development foundation of FPGA and the principle of HDB3 encoder and decoder. Secondly, design HDB3 encoder and decoder mod
7、ule.Through Quartus software which integrationed of the FPGA design environment, complete the process of compilation and simulation of encoder and decoder. Finally,has carried on the synthesis simulation of encoder and decoder module, and expectations of the wave are obtained. Final results show tha
8、t the design of HDB3 encoder and decoder based on FPGA has the characteristics of simple and flexible in application and high working reliability.Compared with other programmable devices, HDB3 encoder and decoder based on the FPGA is more integrated and smaller.Key Words: FPGA; HDB3 code; VHDL langu
9、age; codecs盐城工学院本科生毕业设计目目 录录1. 概述1 1.1 课题的意义1 1.2 课题的研究背景1 1.3 课题的主要研究工作2 1.4 现代数字系统的设计方法3 1.5 论文结构3 2. FPGA 开发基础4 2.1 Quartus II 简介4 2.2 可编程逻辑器件简介5 2.3 硬件描述语言简介7 2.4 FPGA 开发流程9 2.5 FPGA 器件选型12 3. HDB3 编解码原理13 3.1 基本码型简介13 3.2 HDB3 码的编解码规则16 4. HDB3 编解码器的设计与实现18 4.1 总体设计构思18 4.2 HDB3 编码器的 FPGA 实现 .1
10、8 4.2.1 插“V”模块.19 4.2.2 插“B”模块.19 4.2.3 极性变换模块.20 4.2.3 HDB3 编码器的仿真.21 4.3 HDB3 解码器的 FPGA 实现 22 4.3.1 +V、V 码的检测.24 4.3.2 扣 V 扣 B 模块建模24 4.3.3 HDB3 解码器的仿真.25 4.4 HDB3 编解码器合成及验证25 5. 总结和展望27 参考文献.28 致 谢.29 附 录.30附录 1： 基于 VHDL 语言的 HDB3 编解码器源程序31附录 2： 系统顶层设计原理图34附录 3： HDB3 编码器 RTL 视图 .35附录 4： HDB3 解码器 R
11、TL 视图 .36盐城工学院本科生毕业设计说明书（2015）基于基于 FPGA 的的 HDB3 编解码器设计编解码器设计1. 概述1.1 课题的意义相对于传统的 AMI 码来说，可以自检出传输中的编码错误，频谱能量主要在基波频率中段，其功率谱中没有直流分量，但是当信息代码在传输的过程中出现4 连“0”码时，这时的 AMI 码就不具备了定时提取的功能，这也就是 AMI 的缺陷。为了克服这种编码的缺陷，人们改进了传统的 AMI 码，并得到一种全新的双极性归零码 HDB3 码，由于 HDB3 码是一种三阶高密度双极性码，相比于 AMI 码而言，它的频谱能量主要集中在基波频率的高频段，且占用较窄的频带
12、，具有编码规则简单、便于时钟信号的提取、无直流分量、频带较窄的优点，实现的电路的结构层次也要比采用 AMI 码编码方式简单，是标准 ITUTG.703 推荐的 PCM终端设备基群、二次群和三次群的标准数字传输接口码型。本文设计了基于 FPGA 的 HDB3 编解码器，运用 EDA 所学的设计方法，结合VHDL 语言编程，最后进行系统编解码功能的时序仿真。仿真结果表明，最终设计的 HDB3 编解码器具有较强的抗扰动性能，且改变参数就可调整编解码器的功能，还具有软件开发简单、造价低、应变能力快、互动性强、便于改动等特点。1.2 课题的研究背景EDA（Electrical Design Automa
13、tion，电子设计自动化）技术不仅是现代集成电路的基础，还是数字电子技术电路设计要用到的关键平台，作为 21 世纪科技创新和产业发展的关键部分，EDA 技术的设计是基于大规模的可编程器件，如FPGA，表达方式有很多种，但其中最方便使用的是 VHDL 语言，VHDL 语言是一种硬件描述语言，主要功能是实现系统硬件逻辑描述。EDA 技术在开发使用中用到了很多工具，其中有计算机、大规模可编程逻辑器件，还有为其配套开发的软件以及实验系统，EDA 技术最大的功能是实现电子系统向硬件系统的转变，我们可以在 EDA 的平台上进行软件的逻辑编译、逻辑化简与逻辑仿真，EDA 也会自动完成对于 FPGA 芯片的适
14、配编译、逻辑映射与编程下载等过程，这就是现代数字电路中常用的一种方法，也是一门新技术。现代集成电路技术发展迅猛，已经进入了一个全新的阶段，不管是从工艺上还是集成电路的复杂程度上，都比过去提升了很多。电子系统电路之所以成为现在发展热门的一种技术，就是由于它所使用的集成电路高度的集成化，使得电子基于 FPGA 的 HDB3 编解码器设计系统成为一个复杂的系统。所以说，离开 EDA 技术，电子系统的设计是很困难的。21 世纪是人才竞争的世纪，高素质的电子科技人才是需要培养的，一个重要的途径就是 EDA 教学，这也成为了 IC 从业人员提升自我的一个重要手段。由于 EDA技术的迅猛发展，对我们国家高校
15、的传统教学形成了无形的挑战，冲击着传统的电子技术教学，需要提升高校的教师教学水平，在革新教学思路与创新教学方法上多下功夫。近年来，国内许多高校更加注重高等人才的培养，积极探索更加适应新世纪的教学方法，电子技术的快速发展需要更多的优秀人才，高校引入并消化吸收形成了完善的电子技术教学模式，比如开设电子技术课程，注重学生的实验能力，在电子技术有独特优势的高校在获得国家重点项目支持资金后建立起了先进的实验室，有的是国家级，有的是省级。总起起来，国内高校不管是从硬件上还是从软件上都开展了一系列电子技术教学创新，借助于 EDA 这一现代教学方法就更加方便了教学，学生可以方便地使用 EDA 软件进行电子技术
16、设计与仿真等。电子系统的设计主要依靠 EDA 技术来完成，一般有系统级、电路级和物理级三个层次的电路设计。EDA 技术可以设计的电子电路的频段不再受局限，从低频到高频甚至更高频率的微波都在 EDA 设计的范畴。更重要的是，电路的线性与非线性、种类、复杂程度等也都在 EDA 的考虑范围内，因此，EDA 所研究的对象是非常广泛的。我们试着从其他角度来看 EDA 的发展，比如专用集成电路（ASIC）的开发与应用角度，一个完整的电子系统的设计至少应包括以下 5 个子模块：设计输入子模块、设计数据库子模块、分析验证子模块、综合仿真子模块、布局布线子模块。由此可见，EDA 技术已经成为现在数字电子技术设计的有力工具。1.3 课题的主要研究工作本课题主要研究的内容是利用 FPGA 芯片，选择合适的一种码型对信号进行编码，设计信号传输过程中的编码器和解码器，最终进行仿真验证。本次设计采用的是 HDB3 码对信号进行编码，这是由于 HDB3 码相比较于传统的 AMI 码而言可以打破 4 连“0”，在解码环节便于同步提取，HDB3
